炼铜PS转炉吹炼仿真模拟系统在冶金教学中的应用

摘 要：本文结合卧式转炉的生产现场，将冶炼的进度与现场的冶炼进度模擬到1：1的现场状态，实现了时间的完全同步、相符，将虚拟现实应用于冶金类教学，通过虚拟现场的真实环境，数学模型支持模拟真实的生产工艺过程，学生通过监控界面进行操作，让学生更形象、直观的体会真实的生产过程。在不断地考核和练习过程中，实现掌握知识的目的。

关键词：PS转炉；吹炼；模拟仿真软件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.019

1 概述

PS转炉吹炼和回转式阳极炉精炼铜生产具有工艺成熟、投资成本低、与其它冶金炉窑易于匹配、生产组织灵活、生产成本低廉等优点，为有色金属火法冶炼铜工艺中被广泛应用的冶炼工艺。目前被国内绝大多数炼铜企业所接受。但由于其装备设备大多是重型设备，危险程度和操作难度要求都比较高，不具备企业新员工亲身操作的条件。国内各院校冶金专业主要以教授理论知识为主，缺少炼铜教学实际操作的环境和平台。

我国已进入世界炼铜大国，但不是炼铜强国，其根本原因之一在于炼铜转炉吹炼岗位和阳极炉精炼岗位岗位操作技能水平参差不齐。转炉吹炼铜和阳极炉精炼铜生产过程是一个复杂的控制过程，我国绝大多数炼铜企业在实际生产中主要靠操作工的操作经验和操作技能来进行对炉窑的控制，因此炼铜操作工的技能水平很大程度上影响着炼铜效率和产品质量。企业培训一个合格炼铜操作炉长周期过长，且缺乏先进有效的手段。据有色金属行业协会统计，目前炼铜企业培养一个合格的转炉吹炼和阳极炉精炼操作炉长一般需要3年的时间。冶金专业院校中缺乏炼铜实训环境，根本无法培养出合格的转炉吹炼和阳极炉精炼操作工。

2 转炉吹炼铜生产技能训练在冶金教学中存在的主要问题

（1）炼铜场景中故障排除培训，难以将故障的发生呈现给学生。

（2）安全问题是制约炼铜转炉和阳极炉操作工培训的一个重要因素。

（3）学生基本无机会上机操作。

（4）冶金教学以理论为主，学生的实操能力难以考核。

炼铜模拟仿真系统有效的解决炼铜转炉工与阳极炉工操作工培训和考核难题的有效手段，而且冶金教学具有很重要的现实意义。

学生可通过该项目系统虚拟环境中的炼铜生产场景进行操作培训，安全地进行炼铜操作、处理各种虚拟故障，能够产生亲临现场的感受和体验。炼铜操作学员置身于逼真的模拟生产环境中，通过向操作界面发出各种控制信号来不断改变虚拟环境中炼铜的作业状态，进而观察相应的操作效果，实现实时控制，在不影响实际生产的前提下达到了训练转炉工操作工的协调性和准确性的目的，极大地缩短了培训周期。而且利用该项目对学生进行培训后，可通过理论考试加虚拟环境中的虚拟炼铜操作考核对学生进行培训考核。

转炉模块动作主要包括转炉的旋转离开烟罩，行车吊运冰铜包由一侧将液体冰铜倾倒入转炉内，并伴有烟气、液体流动等特效，然后行车吊运铜包离开转炉，并且转炉旋转至炉口位置，转炉炉口的烟罩关闭，转炉后侧有捅风眼机在轨道上工作，对转炉一侧的风眼依次执行捅风眼操作，转炉旋转时可看到液体冰铜自炉口迸溅而出，不同时刻状态、颜色稍有不同。

转炉模块动作主要包括转炉的旋转操作，材料（如石英，冰铜）的添加操作，转炉后侧捅风眼机捅风眼操作，取样操作以及炉口烟罩上升和下降操作等。

学生可通过单击转炉旋转相关按钮控制转炉的旋转以及停止，转炉旋转到风眼接近水平面直至刚超出液体水平面且没有停止吹风时，可看到液体冰铜自炉口迸溅而出。当液体水平面高于炉口位置时，炉内液体会从炉口流出，渐渐的流入到了铜包里，，铜包里的液体不断的上升。

3 技术及管理创新

该仿真系统采用了计算机图形显示技术为核心的虚拟现实技术，利用虚拟的场景结合仿真的监控系统，通过监控界面和虚拟场景相互呼应，模拟呈现整个转炉吹炼和阳极炉精炼生产主要工艺环节的大型场景以及各种已出现或人为设定的故障产生全景和排除解决过程。学生可通过系统中的仿真监控系统与虚拟环境中的具体反应安全地进行生产操作、处理各种异常工况，并能达到和现场培训、考核的同样效果。

（1）炼铜生产技能训练与考核模拟仿真系统结构。

（2）虚拟场景展现转炉吹炼生产工艺流程。

吹炼前的安全检查→查看生产计划→设定吹炼条件→进料→开风吹炼→造渣作业→温度控制→液面控制→环保设备设施使用→筛炉作业→二周期吹炼→产量控制→造铜终点控制。

（3）虚拟场景展现阳极炉精炼生产工艺流程。

进料前的安全检查→查看生产计划→设定生产条件→进料→氧化除杂→倒渣作业→温度控制→氧化终点控制→还原剂加入操作→还原作业→造铜终点控制→浇铸→铜阳极板浇铸质量控制

（4）模拟转炉吹炼和阳极炉精炼过程异常工况控制。转炉吹炼部分有过冷、过热、恶喷、铜过吹等异常工况，阳极炉精炼部分有欠氧化、欠还原、过还原、冒黑烟、废板处置等。

4 炼铜模拟软件在冶金教学中的具体应用

（1）培训方式创新。电脑仿真技术用于铜冶炼培训，用于鉴定前培训、新员工培训、学生实习，减轻了企业培训负担，减轻了承担学生实习的负担。（2）教学方式创新。将仿真系统用于冶金技术专业职业院校学生教学，这已在十来家院校里开始用了。真实的数据模拟提高了学生动手能力。（3）培训鉴定管理制度创新。有色鉴定中心通过此系统实现了对鉴定前培训、鉴定过程全程监控、管理，此项监管制度已在职业院校试行。学生实现了，有网即可学习、考核，掌握自己的学习进度，有指导性地提升实践能力。

作者简介：孔晓萍（1970-），女，甘肃人，本科，学士学位，副教授，研究方向：有色金属冶金。